Seen und Lacken

Ökotypen - weltweit erfolgreich

Süßwasser hat seine eigenen Bakterien, die sich von denen des Salzwassers oder der Böden deutlich unterscheiden. Ihre umfassende Erforschung steht allerdings erst am Anfang. Martin Hahn und seine Gruppe am ÖAW-Institut für Limnologie in Mondsee haben diesbezüglich bereits Pionierarbeit geleistet. Derzeit erforschen sie eine weltweit sehr erfolgreiche Art, die sich in unterschiedlichsten Süßwasserökosystemen behaupten kann.

Bakterien sollte man nicht unterschätzen. Weder die pathogenen, noch jene, die in ihrer Masse sogar das globale Klima mit beeinflussen. In ihrer Gesamtheit halten sie - mit verteilten Rollen - beispielsweise den Kohlenstoffkreislauf zu Wasser und zu Land in Schwung. Fotosynthetisch aktive Bakterien binden Kohlenstoff, heterotrophe setzen ihn frei, und manche können sogar mal die eine, mal die andere der beiden Strategien im Zuge der Energiegewinnung nützen. Ökosysteme sind daher in hohem Maß durch Vertreter dieser vielfältigen Organismengruppe geprägt. Deren Ansprüche zu erkunden, die Anpassungsstrategien und die genetischen Voraussetzungen aufzuklären, ist ein topaktuelles Forschungsfeld.

Das ÖAW-Institut für Limnologie ist mit dabei: Hier werden die Bakterien des Süßwassers "unter die Lupe" genommen. Das gelingt im Detail nur, wenn man weiß, wie man die Bakterien auch im Labor kultivieren kann. "Auf diesem Gebiet konnten wir in den letzten Jahren international beachtete Fortschritte erzielen", freut sich Martin Hahn, Leiter der Forschungsgruppe Umweltmikrobiologie. In einem ESF-Projekt (FREDI) arbeitet Martin Hahn, zusammen mit deutschen, tschechischen und schweizer Kollegen an der Aufklärung der ökologischen Funktion dominierender Bakteriengruppen. Das neue Wissen soll auch dazu beitragen, die Folgen des Klimawandels für Seen besser abschätzen zu können.

Kosmopolit und Anpassungskünstler Polynucleobacter necessarius

Martin Hahns Forschungsobjekt ist Polynucleobacter necessarius (P. nec), eine hinsichtlich der ribosomalen RNA sehr klar definierte, scheinbar wenig vielfältige Gruppe. Es verwundert aber, dass sich P. nec in gänzlich verschiedenen Lebensräumen durchsetzen kann. Das Bakterium kommt in allen bisher untersuchten Standgewässern (pH von 3,8 bis 9), in Lacken und großen Seen, von der Arktis über die Tropen bis zur Antarktis mit einem durchschnittlichen Prozentanteil von 20 vor. Wissenschaftler hatten bisher nicht vermutet, dass es unter Bakterien dieser Art größere Unterschiede hinsichtlich ökologischer Anpassungen oder der biogeografischen Verbreitung gibt. Doch jüngst von Hahns Forschungsgruppe veröffentliche Daten ziehen dies in Zweifel. "Es ist notwendig, zusätzlich zur ribosomalen RNA, die für die allgemeine Einordnung gute Dienste geleistet hat, auch die ringförmigen Genome von P. nec zu untersuchen. Es gilt zu klären, inwieweit bestimmte Genotypen auch spezifische Ökotypen darstellen und mit bestimmten ökologischen Bedingungen korrelieren", erklärt Hahn.

Vorlieben, aber keine eindeutigen Habitat-Präferenzen

Martin Hahn beschäftigt sich seit vielen Jahren mit freilebenden Süßwasserbakterien und ihrer ökologischen Funktion. Im Rahmen von FREDI analysiert er zehn Genome von P. nec unterschiedlicher Lebensräume (Mondsee, Klaffersee in den Niederen Tauern, Hochmoor, permanet sauerstofffreie Tiefenzone eines österreichischen Sees, ein Gewässer der Antarktis, sowie aus dem tropischen Uganda). Als Referenz steht ihm bereits das vollständig sequenzierte Genom einer aus einer kleinen Lacke in den Salzburger Alpen isolierten Variante zur Verfügung. Mittels vergleichender Genomanalysen sollen Anpassungsmerkmale identifiziert werden, die am Prozess der Diversifizierung und Bildung von Ökotypen beteiligt sind.

Die ersten Ergebnisse zeigten aber weniger eindeutige Zuordnungen als erhofft. Zwischen Habitat und genetischem Ökotyp gibt es nicht immer eine eindeutige Korrelation, wohl aber Präferenzen. "Das bedeutet, dass nicht allein die Eigenschaften der Habitate die Mikroevolution von Polynucleobacter antreiben", erklärt Martin Hahn. Als mögliche weitere Triebkräfte kommen Anpassungen an verschiedene Nahrungsquellen und geografische Barrieren in Frage. "Wir wollen herausfinden, wie Biodiversität im Bakterienplankton entsteht, erhalten bleibt und gegebenenfalls weiter verbreitet wird. Wir gehen der Frage nach, wie neue genetische Informationen bei Polynucleobacter entstehen beziehungsweise zu ihnen gelangen. Erfolgt dies vorwiegend durch viele kleine Mutationen oder werden Gene von anderen Ökotypen oder gar von fremden Arten übernommen? Auch biogeografische Fragen werden für uns immer wichtiger. Warum konnten wir bestimmte Ökotypen, die uns sehr gut aus Lacken in den österreichischen Alpen bekannt sind, noch nicht außerhalb der Alpen finden? Vielleicht sind sie nicht in der Lage, größere Distanzen zu geeigneten Gewässern zu überbrücken? Im Hinblick auf den Klimawandel ist spannend, wie schnell sich Süßwasserbakterien an geänderte Umweltbedingungen anpassen beziehungsweise wie groß die ökologische Plastizität der Ökotypen ist", fasst Martin Hahn zusammen.

• Das Projekt FREDI der European Science Foundation (ESF)

Functional role and ecotype divergence in freshwater ultramicrobacteria - FREDI (2010 bis 2013) Teilprojekt (IP-02) von M.W. Hahn: Ecological diversification within the subspecies Polynucleobacter necessarius ssp. asymbioticus and environmental "ecotype sorting"

Publikationen:

• Betreffend das weltweite Vorkommen von P. nec
• Betreffend die Ökotypen von P. nec

Kontakt:
Dr. Martin Hahn
Institut für Limnologie
Österreichische Akademie der Wissenschaften (ÖAW)
Herzog Odilostraße 101, 5310 Mondsee
T +43 6232 3125 29
martin.hahn@oeaw.ac.at
www.oeaw.ac.at/limno


Juli 2011